Триботехника металлургического оборудования

Б. И. Стародубцев, В. А. Сидоров 
ТРИБОТЕХНИКА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО 
ОБОРУДОВАНИЯ 
Учебное пособие 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022 

УДК 621.89:669 
ББК 34.4134.3 
С77 
Рекомендовано Ученым советом
ГОУВПО «Донецкий национальный технический 
университет» в качестве учебного пособия 
для обучающихся образовательных учреждений 
высшего профессионального образования 
(Протокол № 9 от 26 ноября 2021 года) 
Рецензенты: 
доктор технических наук, заведующий кафедрой управления качеством  
ГОУВПО «ДОННТУ» Ченцов Николай Александрович; 
доктор технических наук, заведующий кафедрой наземных  
транспортно-технологических комплексов и средств ГОУ ВПО «ДонНАСА» 
Пенчук Валентин Алексеевич 
С77 
Стародубцев, Б. И. 
Триботехника металлургического оборудования : учебное пособие / 
Б. И. Стародубцев, В. А. Сидоров. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 
2022. - 152 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1015-1 
Изложены основы триботехники. Рассмотрено техническое обслуживание 
металлургических машин в условиях различных систем смазывания, а также 
пути развития трибологии с целью продления ресурса оборудования. 
Для обучающихся по направлению подготовки 15.03.02 «Технологические машины и оборудование» (профиль «Инжиниринг и технический менеджмент металлургического оборудования»). 
УДК 621.89:669 
ББК 34.4134.3 
ISBN 978-5-9729-1015-1 
” Стародубцев Б. И., Сидоров В. А., 2022 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………….. 4 
1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТРИБОТЕХНИКИ………………………............ 5 
1.1. Термины и определения………………………………………………….. 5 
1.2. Сухое трение скольжения и качения…………………………………….. 9 
1.3. Узлы трения металлургических машин………………………………... 13 
1.4. Основы трибологии……………………………………………………… 
32 
2. ЖИДКИЕ СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ…………………………………….. 43 
2.1. Физико-механические свойства жидких масел………………………... 43 
2.2. Производство минеральных базовых масел…………………………… 54 
2.3. Системы смазывания жидкими маслами………………………………. 62 
2.4. Расчеты и выбор систем смазывания жидкими маслами……………... 69 
2.5. Эксплуатация и контроль систем смазывания жидкими маслами…… 78 
3. ПЛАСТИЧНЫЕ СМАЗКИ……………………………………………………… 
83 
3.1. Физико-механические свойства пластичных смазок………………….. 83 
3.2. Технология производства пластичных смазок………………………… 91 
3.3. Системы смазывания пластичными смазками, их эксплуатация  
и контроль…………………………………………………………………….. 95 
3.4. Расчет и выбор систем смазывания пластичными смазками………... 105 
4. ТРИБОТЕХНИКА - ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ………………………. 111 
4.1. Анализ смазочных материалов………………………………………... 111 
4.2. Нарушение режимов смазывания как причина отказов……………... 120 
4.3. Системы смазки «масло-воздух»……………………………………… 130 
4.4. Нанотехнологии в трибологии (геомодификаторы)…………………. 137 
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА…………………………………………… 148 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
                                                                                 3 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Механическое и гидравлическое оборудование металлургического производства тесно связано с трибологией и триботехникой. Это обусловлено высокими требованиями при создании надёжных, долговечных машин, способных 
работать в экстремальных условиях. 
Значимость триботехники для механического оборудования велика и связана с тем, что 8090  всех неисправностей, так или иначе, возникают из-за 
износа поверхностей в узлах трения. 
В современных реалиях знание основ триботехники, процессов и режимов 
смазывания, систем смазывания и их обслуживание обязательно для каждого 
инженера-механика. Среди ряда дисциплин, направленных на подготовку будущих специалистов по специальности 15.03.02 «Технологические машины и 
оборудование», представленная дисциплина «Триботехника» является одной из 
центральных. Целью дисциплины является изучение студентами теоретических 
основ триботехники и смазки металлургического оборудования, усвоение практических аспектов применения и обслуживания смазочных систем. 
Задача дисциплины - овладеть знаниями о трении, различных смазочных 
материалах, методиках их подбора, проектировании смазочных систем для металлургического оборудования, эксплуатации смазочных систем и диагностировании смазочных материалов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
                                                                                 4 
 

1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТРИБОТЕХНИКИ 
 
1.1. Термины и определения 
 
Трение - комплекс явлений в зоне контакта поверхностей двух перемещающихся относительно друг друга тел, сопровождается сопротивлением относительному перемещению тел - силой трения. Потери на трение составляют до  
30  от всей вырабатываемой в мире энергии. Последствия трения делятся на 
негативные и позитивные. 
Негативные последствия: изнашивание в местах трения; возникновение 
вибраций, поломок, аварий; потери энергетические; перегрев механизмов. 
Позитивные последствия: обеспечение возможности перемещения людей, 
животных, птиц, колёсного транспорта, фиксация положения предметов в пространстве и деталей в узлах механизмов. 
Трибология (tribos (греч.) - трение, logos - наука) - наука о трении. Триботехника - техническое применение трибологии. 
Для уменьшения потерь на трение, снижения интенсивности изнашивания 
трущихся поверхностей, а также для предохранения их от заедания, задиров, 
коррозии трущиеся поверхности деталей должны иметь надежное смазывание. 
Наиболее эффективным средством снижения значения коэффициента трения и 
износа в узлах трения машин является применение специальных материалов, 
получивших название «смазочные материалы». При введении смазочного материала между трущимися поверхностями реализуются различные взаимодействия, определяемые свойствами смазочного материала и трущихся поверхностей, кинематическими и силовыми условиями на поверхности контакта. Действие смазочного материала в зоне трения, приводящее к снижению трения и 
скорости изнашивания, обозначается термином «смазка». 
Смазка - действие смазочного материала, в результате которого между 
двумя поверхностями уменьшается сила трения и (или) интенсивность изнашивания. 
Смазывание  подведение смазочного материала к поверхностям трения. 
Смазочный материал - материал, вводимый на поверхности трения для 
уменьшения силы трения и (или) интенсивности изнашивания. Наиболее широко в технике используются жидкие и пластичные смазочные материалы. Менее 
распространены твердые и газообразные смазочные материалы. 
Пластичные смазочные материалы применяют для смазывания подшипников качения при частоте вращения до 3000 об/мин и температуре до 100 ƒС. 
Большая часть подшипников качения (до 90 ) смазывается этими материалами. Преимущества: простая и дешевая конструкция подшипниковых узлов; 
лучшая защита от проникновения влаги и загрязнения из внешней среды. 
Жидкие масла применяются при высоких частотах вращения, превышающих допустимые для смазывания пластичной смазкой, а также при необходимости отвода тепла от узлов механизма. Используется при необходимости смазывания нескольких рядом расположенных узлов: подшипников, уплотнений, 
зубчатых колес. 
                                                                                 5 
 

Твёрдые смазочные материалы применяют в виде порошков или покрытий. Это графит, дисульфид молибдена (МоS2), имеющие чешуйчатое строение 
и малые усилия при смещении слоев относительно друг друга. Применяются 
при отрицательных температурах и при t > 100 ƒС. 
Трением называется сопротивление возможному или действительному перемещению соприкасающихся тел. Трение покоя всегда больше трения движения. По кинематическим признакам различают трение скольжения и качения, 
трение вращения и сцепления. Трение покоя - трение двух тел при микроперемещениях без макроперемещений (ГОСТ 27674-88). Коэффициент трения равный нулю - вещь недостижимая. 
Огромное количество трущихся деталей находится в приводе любого механизма  подшипниковые узлы, зубчатые передачи, соединительные муфты, 
направляющие скольжения, узлы рабочих органов. Всё это уносит значительную часть мощности двигателя, затрачиваемую на преодоление сил трения, 
вследствие чего вырабатывается бесполезное тепло, возникающее в зонах трущихся поверхностей. Трение - это одно из важнейших механических явлений, 
вызывающее взаимодействие тел соприкосновения и сопровождающееся относительным смещением частиц их поверхностных слоев. Трение способствует 
устойчивости. Без трения предметы будут перемещаться произвольно. 
В прикладной механике о трении говорится как о крайне нежелательном 
явлении. Инженеры стремятся по возможности устранить его в машинах. Но 
без трения невозможно передвигаться по земле людям, животным, поездам, автомобилям и др. Работа всего механического оборудования построена на трении, которое должно быть минимальным. 
Оборудование - собирательный термин, включает технологические агрегаты, машины, механизмы, в том числе металлоконструкции, трубопроводы, футеровку, участвующие в процессе производства. Например, механическое, 
энергетическое, химическое, электрическое и др. оборудование. 
Агрегат (I) - совокупность машин, механизмов, устройств и сооружений, 
связанных единым технологическим процессом. Для металлургических предприятий это доменная или электросталеплавильная печь, кислородный конвертер, установка «печь-ковш», прокатный стан и др. 
Агрегат (II) - сборочная единица, обладающая свойствами полной взаимозаменяемости, независимой сборки и самостоятельного выполнения определенной функции в изделиях различного назначения, например фурма конвертера, 
электродвигатель, редуктор, карбюратор, насос и др. 
Машина - комплекс механизмов, предназначенных для выполнения полезной работы. 
Механизм - система кинематически взаимосвязанных узлов и деталей, 
предназначенных для преобразования вида движения. 
Узел - изделие, сборочные части которого соединяют между собой на 
предприятии-изготовителе, может быть разъемным или неразъемным соединением нескольких деталей. 
                                                                                 6 
 

Деталь - изделие, изготовленное из одной марки материала без применения сборочных операций, как одно целое, разделение которого на части невозможно без повреждения. 
Дефект - каждое отдельное несоответствие продукции установленным 
требованиям. 
Отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта. 
Повреждение - событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении работоспособного состояния. 
Технический ресурс - наработка объекта от начала его эксплуатации или её 
возобновления после ремонта определенного вида до перехода в предельное 
состояние. 
Изнашивание - процесс разрушения и отделения материала с поверхности 
твёрдого тела и (или) накопления его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела. 
ГОСТ 23.002-78 устанавливает 13 видов изнашивания: механическое, абразивное, 
окислительное (коррозия, коррозионно-механическое, фреттинг-коррозия), кавитационное, эрозионное, усталостное, заедание, пластическая деформация и др. 
Износ - результат изнашивания, определяемый в установленных единицах 
(единицах длины, объема, массы и т. д.). 
Износостойкость - свойства материала оказывать сопротивление в определённых условиях трения, оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивности изнашивания. 
Пластичный смазочный материал - полутвердый или твердый продукт, 
состоящий из смеси минерального или синтетического масла, стабилизированного мылами или другими загустителями с возможным содержанием иных 
компонентов. 
Смазочная система - совокупность устройств, обеспечивающих подачу 
смазочного материала к поверхностям трения, а также его возврат в смазочный 
бак. 
Задачи смазывания: 
 снижение коэффициента трения между двумя контактирующими, трущимися поверхностями, за счет разделения смазываемых поверхностей смазочным материалом; 
 уменьшение износа; 
 защита поверхностей трения от коррозии; 
 отвод тепла и продуктов износа из зоны трения. 
Основное назначение смазки состоит в образовании слоя из смазочного 
материала, разделяющего поверхности трения и благодаря чему снижаются силы трения и интенсивность износа. Основополагающим свойством смазочных 
материалов является вязкость, характеризующая способность образовывать 
смазочный слой. Применительно к пластичным смазкам  это консистенция 
(пенетрация). 
 
                                                                                 7 
 

Виды трения. Различают трение внутреннее, когда превращение механического вида энергии в тепло происходит во всех точках некоторого объёма тела, и внешнее, когда развитие тепла происходит только вдоль поверхности раздела двух тел, в которой протекает процесс скольжения. 
Между поверхностями трения при смазке возникает слой из смазочного 
материала, который сопряжен с трущимися поверхностями. Из-за относительного движения деталей в смазочном слое возникают напряжения сдвига  отдельные слои смазочного слоя скользят относительно друг друга, определяя силу трения и вязкость как меру трения между слоями жидкости (рисунок 1.1). 
 
 
Рисунок 1.1  Схема трения между отдельными слоями смазочного материала 
 
Различают три режима смазывания: граничный, гидродинамический, контактно-гидродинамический. Граничное смазывание имеет место при недостаточной толщине смазочного слоя для разделения трущихся поверхностей (рисунок 1.2).  
 
 
 
Рисунок 1.2  Схема граничного режима смазывания 
 
Данный режим возникает при: недостатке смазочного материала, недостаточной скорости перемещения сопряженных поверхностей, низкой вязкости 
масла. Следствием является металлический контакт сопряженных поверхно                                                                                 8 
 

стей, схватывание выступающих пиков шероховатости, в результате чего имеет 
место значительное трение, большой износ и разрушение сопряженных поверхностей. Гидродинамическое смазывание возникает при полном разделении сопряженных поверхностей смазочным слоем (рисунок 1.3). Трение в этом случае 
значительно ниже, отсутствует металлический контакт поверхностей трения. 
Контактно-гидродинамический режим возникает при упругом деформировании поверхностей в местах контакта, однако масло из зоны контакта не выдавливается. В зоне контакта вязкость масла резко возрастает, а после снятия 
нагрузки снова снижается до исходного значения. 
 
 
Рисунок 1.3  Схема гидродинамического режима смазывания 
 
Вопросы для самоконтроля: 
1. Какие принципиальные отличия в определениях «смазка» и «смазочные 
материалы»" 
2. Перечислите основные задачи смазывания трущихся поверхностей. 
3. Каковы особенности граничного и гидродинамического смазывания" 
 
1.2. Сухое трение скольжения и качения 
 
При отсутствии смазочной прослойки два твердых тела оказываются в 
непосредственном контакте при любой скорости относительного скольжения. 
Такой режим трения называется сухим трением. Его закономерности отличны 
от жидкостного трения. Это различие объясняется следующим: при внутреннем 
трении скорость частиц тела меняется непрерывно, без скачков и её изменения 
характеризуется градиентом скорости; при сухом трении во время перехода от 
одного тела к другому в месте их взаимного контакта наблюдается скачок скорости, характеризующий скорость скольжения одного тела относительно другого. Поэтому все случаи трения, когда два твердых тела находятся во взаимном контакте, например, трение при наличии смазки при весьма малых скоростях, подчиняются тем же закономерностям, что и сухое трение. 
Трение скольжения. Если к твердому телу, покоящемуся на шероховатой 
горизонтальной поверхности приложить горизонтальную силу F, то действие 
                                                                                 9 
 

этой силы вызовет появление силы сцепления Fcц = - F, представляющей собой 
силу противодействия смещению тела со стороны поверхности (рисунок 1.4). 
Благодаря сцеплению тело остаётся в покое при изменении модуля силы F от 
нуля до некоторого значения Fmax. Это означает, что модуль силы сцепления 
тоже изменяется от нуля до Fсц max в момент начала движения. Как показывает 
опыт, _Fmax_ пропорционален модулю силы нормального давления _N_ со стороны плоскости: Fmax = fсцN. Коэффициент fсц является безразмерной величиной и 
называется коэффициентом сцепления. Этот коэффициент является также безразмерной величиной и зависит от материалов, состояния и свойств трущихся 
поверхностей (существенно облегчает скольжение наличие смазки), а также от 
давления и скорости относительного движения тела.  Его величина для материалов, используемых в технике, обычно меньше единицы. 
Сила реакции R реальной (шероховатой) поверхности имеет две составляющие: силу нормального давления (нормальную реакцию) N и силу сцепления 
Fcц (или силу трения Fск при движении тела). 
 
 
Рисунок 1.4 - Схема действия сил при движении тела 
 
Значения коэффициента трения скольжения для некоторых материалов 
приведены в таблице 1.1. 
 
Таблица 1.1 - Коэффициенты трения скольжения 
Трущиеся поверхности 
Коэффициент трения 
Бронза по чугуну 
0,16 
Бронза по железу 
0,19 
Бронза по бронзе 
0,2 
Дерево по дереву 
0,25…0,5 
Сталь по стали 
0,15 
Подшипник скольжения при смазке 
0,02…0,08 
Подшипник жидкостного трения 
0,001…0,003 
Сталь по феродо 
0,25…0,45 
                                                                                 10